CN110600151A - 一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，本系统可容纳含氚氦气回路、并为回路的启停提供支持性功能，可包容并去除含氚氦气回路泄露的氚，从而减少甚至消除氚泄露的危害；本系统包括手套箱、真空系统、手套箱气体循环系统；手套箱用于包容整个含氚氦‑3气体回路；真空系统用于提供氦气回路启动时所需的真空条件；手套箱气体循环系统用于含氚氦气回路所有设备的通风冷却、泄露至手套箱中微量含氚气体的去除；本发明可用于功率跃增装置的氦‑3气体回路的辅助系统，可去除渗透进入手套箱的微量氚，从而有效减少氚泄露产生的放射性危害。

Description

一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统

技术领域

本发明涉及堆辐照技术领域，具体地，涉及一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统。

背景技术

燃料元件功率跃增辐照试验一般在研究堆上采用专门的功率跃增辐照试验装置进行；通过在短时间内改变燃料元件的功率，进行燃料元件性能参数和安全余量的验证。为在研究堆内对压水堆燃料元件进行功率跃增辐照试验，国外的一些研究堆，如挪威的HBWR堆、比利时的BR2堆、瑞典R2堆和日本JMTR堆，采用氦-3气体回路作为燃料元件的功率调节装置。通过改变研究堆内氦屏中气态中子毒物(³He气体)的压力，有效地调节试验燃料元件的辐照功率。

氦-3气体回路位于研究堆堆芯活性区内的³He气体，吸收堆内的热中子，产生具有放射性危害的氚(³H)。氚是氢的同位素，气体状态的氚具有很强的渗透能力；较高温度的氚可以轻松渗透金属材料制成容器，进而泄露到环境中。氚的渗透能力随自身温度的升高而急剧增大。在工程实践中，用于功率跃增辐照装置的含氚氦气回路，氚的微量渗透泄露是难以避免的；且需考虑在事故工况下，回路中含氚氦气大规模泄露的可能。

发明内容

由于氚具有很大的放射性危害，将给试验人员的辐射防护与环境保护带来极大的压力。因此，对于设置有含氚氦气回路的实验室，须设计相关的支持系统，容纳含氚氦气回路、给回路的启停提供支持；更重要的是，包容并去除泄露的氚，从而减少甚至消除氚泄露的危害。

本发明的目的是获得一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，为功率跃增装置的氦-3气体回路提供辅助功能。本发明可以为含氚氦气回路提供初始抽真空、氦气回路设备整体冷却功能，并可去除渗透进入手套箱的微量氚气体，从而有效减少氚泄露产生的放射性危害。

在工程实践中，用于功率跃增辐照装置的含氚氦气回路，氚的微量渗透泄露是难以避免的。由于氚具有很大的放射性危害，将给试验人员的辐射防护与环境保护带来极大的压力。对于设置有含氚氦气回路的实验室，本发明提出了一整套的实验室支持系统设计方案，可容纳含氚氦气回路，并为氦气回路的启停与冷却提供支持，包容并去除回路泄露的氚，从而减少甚至消除氚泄露的危害。

氦-3气体回路由堆内部分的氦屏和堆外回路两部分组成。³He气体由气体循环泵驱动，将³He气体输送至堆内的氦屏，³He和因吸收热中子生成的³H组成的混合气体从氦屏流出后进入氚阱，经氚阱除氚后，混合气体返回至气体循环泵入口。

含氚氦气回路实验室支持系统包括高密封性手套箱、真空系统、手套箱气体循环系统。高密封性手套箱用于包容整个含氚氦-3气体回路；真空系统用于提供氦气回路启动时所需的高真空条件；手套箱气体循环系统用于含氚氦气回路所有设备的通风冷却，并去除泄露至手套箱中的微量氚气体。

手套箱作为含氚氦气回路的二级包容系统，包含了整个氦-3气体回路的堆外系统。手套箱采用涂层不锈钢箱体设计，并设置有一定数目的观察窗和手套接口，以便于手套箱的操作；操作手套与密封部分采用防氚渗透性能良好的丁基合成橡胶。手套箱所在的工艺房间采用研究堆通风系统进行循环通风。

真空系统用于抽除氦气回路中的气体，提供氦气回路启动时所需的高真空条件。真空系统由2台真空泵、1台分子泵以及相关的管道、阀门组成。真空泵为一备一用，利用真空泵抽出管道气体后初步建立真空环境，再利用分子泵进一步抽至高真空环境。抽出的气体经排气系统缓冲罐排出，或者经由手套箱气体循环系统的排气管排入手套箱。

手套箱气体循环系统通过循环手套箱内气体，带走手套箱内氦气管道和其他设备的释热。一定流量的手套箱内气体，依次通过分子筛和惰性气体环境氚捕集系统除去混合气体中的氚和氚水，从而有效控制手套箱内气体中的氚含量。手套箱气体循环系统由空冷器、2台压气泵、2台分子筛、惰性气体环境氚捕集系统以及相关的管道、阀门、仪控设备组成。压气泵与分子筛均为双重配置，一备一用。

优选的，氦气回路启用时，真空系统先利用真空泵将氦气回路中的气体抽出，依次通过缓冲罐、氚监测仪、通风中心接管，送往研究堆用于废气收集与排放的通风中心；所述的手套箱气体循环系统包括吸气口、空气冷却器、第一压气泵和第二压气泵、排气口、第一分子筛和第二分子筛、惰性气体环境氚捕集系统以及相应的气体管道和阀门。氦-3气体回路正常运行时，手套箱内气体由吸气口进入手套箱气体循环系统，经由旁通管道直接进入空气冷却器，经冷却降温后，由第一压气泵或第二压气泵驱动，经手套箱气体循环系统相应管道、排气口送回手套箱。

优选的，在氦气回路抽真空的过程中，真空泵抽出的气体先通过氚检测仪测量氚含量；如果抽出的气体氚含量超标，则第三压气泵输送回手套箱，反之，则直接排入通风中心。

优选的，在氦气回路抽真空的初期，分子泵被旁通且不工作；在抽真空的后期，则关闭旁通管道的阀门并启用分子泵，继续抽真空直至达到氦气回路要求的高真空条件。

优选的，第一压气泵下游管道具有取样用的分支管道，小流量的取样气体可经由氚监测仪检测手套箱内气体的氚含量，后由第三压气泵输送回排气口后排入手套箱。

优选的，如果第一压气泵下游取样的气体经氚检测仪测量的氚含量超标，则启用由第一分子筛、第二分子筛和惰性气体环境氚捕集系统组成的分支管线；部分流量的手套箱气体先进入第一分子筛或第二分子筛，去除大部分水蒸气后进入惰性气体环境氚捕集系统，大幅度降低氚含量后返回空气冷却器的入口。

优选的，为检测惰性气体环境氚捕集系统的除氚效率，氚捕集器出口有取样的分支管道，经氚监测仪测量氚含量后，由第三压气泵输送回手套箱。

优选的，真空系统包含两个互为备用的第一真空泵和第二真空泵；手套箱气体循环系统包含两个互为备用的第一压气泵和第二压气泵、两个互为备用的第一分子筛和第二分子筛。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1)本发明采用高密封性手套箱作为含氚氦气回路的二级包容系统，有效防止含氚氦气回路破损的事故工况下含氚气体的无控释放，并减少正常工况下含氚气体向环境的泄露，从而显著提升实验室的安全性。

2)本发明采用的真空系统，可以有效建立氦气回路的高真空条件，从而为氦气回路的启动与运行提供条件。

3)本发明采用的手套箱气体循环系统，在带走整个氦气回路散热的同时，可有效地去除氦气回路渗透泄露的氚，从而显著减少含氚氦气回路氚泄露导致的放射性危害。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为适用于含氚氦气回路的实验室支持系统的组成示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-氦屏，2-氚阱，3-氦气回路循环泵，4-手套箱，101-分子泵，102-第一真空泵，103-第二真空泵，104-缓冲罐，105-氚监测仪，106-通风中心接管，201-吸气口，202-空气冷却器，203-第一压气泵，204-第二压气泵，205-排气口，206-第一分子筛，207-第二分子筛，208-惰性气体环境氚捕集系统，209-第三压气泵。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，如图1所示的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，包括高密封手套箱、真空系统、手套箱气体循环气体系统。

高密封手套箱4完整地容纳含氚氦气回路的堆外系统部分，手套箱内充氮气。

真空系统包括分子泵101、并联的第一真空泵102和-第二真空泵103、缓冲罐104、氚监测仪105、通风中心接管106以及相应的气体管道和阀门。氦气回路启用时，真空系统先利用真空泵将氦气回路中的气体抽出，依次通过缓冲罐、氚监测仪、通风中心接管，送往研究堆用于废气收集与排放的通风中心。在氦气回路抽真空的过程中，真空泵抽出的气体先通过氚检测仪检测氚含量；如果抽出的气体氚含量超标，则第三压气泵209输送回手套箱，反之，则直接排入通风中心。在抽真空的初期，分子泵101被旁通且不工作；在抽真空的后期，则关闭旁通管道的阀门并启用分子泵101，直至达到氦气回路使用要求的高真空条件。

所述的手套箱气体循环系统包括吸气口201、空气冷却器202、第一压气泵203和第二压气泵204、排气口205、第一分子筛206和第二分子筛207、惰性气体环境氚捕集系统208以及相应的气体管道和阀门。氦-3气体回路正常运行时，手套箱内气体由吸气口进入手套箱气体循环系统，经由旁通管道直接进入空气冷却器，经冷却降温后，由第一压气泵203或第二压气泵204驱动，经本系统相应管道、排气口送回手套箱。压气泵下游管道具有取样用的分支管道，小流量的取样气体可经由氚监测仪检测手套箱内气体的氚含量，后由第三压气泵209输送回排气口后排入手套箱。如果氚检测仪测量的手套箱内气体氚含量超标，则启用由分子筛和惰性气体环境氚捕集系统组成的分支管线；部分流量的手套箱气体先进入分子筛，去除大部分水蒸气后进入氚捕集系统，大幅度降低氚含量后返回空气冷却器的入口。为检测氚捕集系统的除氚效率，氚捕集器出口有取样的分支管道，经氚监测仪测量氚含量后，由第三压气泵209输送回手套箱，手套箱内为氮气气氛，以略低于大气压的压力下运行，泄露率应控制在尽可能低的水平。

为提高关键设备的可靠性，真空泵、压气泵与分子筛均为双重配置，一备一用。

本发明实施例中的实验室支持系统，可容纳含氚氦气回路、并为回路的启停提供支持性功能，可包容并去除含氚氦气回路泄露的氚，从而减少甚至消除氚泄露的危害。

本发明实施例中的实验室支持系统包括高密封性手套箱、真空系统、手套箱气体循环系统。高密封性手套箱用于包容整个含氚氦-3气体回路；真空系统用于提供氦气回路启动时所需的高真空条件；手套箱气体循环系统用于含氚氦气回路所有设备的通风冷却、泄露至手套箱中微量含氚气体的去除。

本发明实施例中的真空系统包括分子泵、并联的第一真空泵和第二真空泵、缓冲罐、氚监测仪、通风中心接管以及相应的气体管道和阀门；氦气回路启用时，真空系统先利用真空泵将氦气回路中的气体抽出，依次通过缓冲罐、氚监测仪、通风中心接管，送往研究堆用于废气收集与排放的通风中心。

本发明实施例中的的手套箱气体循环系统包括吸气口、空气冷却器、第一压气泵和第二压气泵、排气口、第一分子筛和第二分子筛、惰性气体环境氚捕集系统以及相应的气体管道和阀门。氦-3气体回路正常运行时，手套箱内气体由吸气口进入手套箱气体循环系统，经由旁通管道直接进入空气冷却器，经冷却降温后，由压气泵驱动经由相应管道、排气口送回手套箱。本发明可用于功率跃增装置的氦-3气体回路的辅助系统，可去除渗透进入手套箱的微量氚，从而有效减少氚泄露产生的放射性危害。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，所述实验室支持系统包括：手套箱、真空系统、手套箱气体循环系统；手套箱用于容纳含氚氦气回路的堆外系统部分，真空系统用于提供氦气回路启动时所需的真空条件；手套箱气体循环系统用于含氚氦气回路所有设备的通风冷却，并去除泄露至手套箱中的氚气体。

2.根据权利要求1所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，真空系统包括分子泵、并联的第一真空泵和第二真空泵、缓冲罐、氚监测仪、通风中心接管以及相应的气体管道和阀门；氦气回路启用时，真空系统先利用第一真空泵或第二真空泵将氦气回路中的气体抽出，依次通过缓冲罐、氚监测仪、通风中心接管，送往研究堆用于废气收集与排放的通风中心。

3.根据权利要求1所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，手套箱气体循环系统包括吸气口、空气冷却器、第一压气泵和第二压气泵、排气口、第一分子筛和第二分子筛、惰性气体环境氚捕集系统以及相应的气体管道和阀门；氦-3气体回路正常运行时，手套箱内气体由吸气口进入手套箱气体循环系统，经由旁通管道进入空气冷却器，经冷却降温后，由压气泵或压气泵驱动，经手套箱气体循环系统相应管道、排气口送回手套箱。

4.根据权利要求2所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，在氦气回路抽真空的过程中，第一真空泵或第二真空泵抽出的气体先通过氚检测仪测量氚含量；如果抽出的气体氚含量超标，则第三压气泵输送回手套箱，反之，则直接排入通风中心。

5.根据权利要求2所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，在氦气回路抽真空的初期，分子泵被旁通且不工作；在抽真空的后期，则关闭旁通管道的阀门并启用分子泵，继续抽真空直至达到氦气回路要求的真空条件。

6.根据权利要求3所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，第一压气泵下游管道具有取样用的分支管道，取样气体经由氚监测仪检测手套箱内气体的氚含量，后由第三压气泵输送回排气口后排入手套箱。

7.根据权利要求3所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，如果第一压气泵下游取样的气体经氚检测仪测量的氚含量超标，则启用由第一分子筛、第二分子筛和惰性气体环境氚捕集系统组成的分支管线；部分流量的手套箱气体先进入第一分子筛或第二分子筛，去水蒸气后进入惰性气体环境氚捕集系统，返回空气冷却器的入口。

8.根据权利要求3所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，惰性气体环境氚捕集器出口有取样的分支管道，经氚监测仪测量氚含量后，由第三压气泵输送回手套箱。

9.根据权利要求1所述的适用于含氚氦气回路的实验室支持系统，其特征在于，真空系统包含两个互为备用的第一真空泵和第二真空泵；手套箱气体循环系统包含两个互为备用的第一压气泵和第二压气泵、两个互为备用的第一分子筛和第二分子筛。